唐柳生 孫文偉 石 鏗 曾文彬

株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司 湖南 株洲412001

1 緒論

高壓雷擊測(cè)試是工業(yè)設(shè)備非常重要的一項(xiàng)測(cè)試,很多設(shè)備系統(tǒng)特別是戶外裝置都有該項(xiàng)測(cè)試要求,從而催生了高壓雷擊測(cè)試裝置的研制。高壓雷擊測(cè)試需要雷電波發(fā)生器,為了得到合乎標(biāo)準(zhǔn)要求的雷電波形,需要使用大功率二極管器件[1]。

本文介紹高壓雷擊測(cè)試用二極管閥串的電氣、結(jié)構(gòu)、測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、方法和實(shí)驗(yàn),難點(diǎn)在于高壓絕緣設(shè)計(jì)、和狀態(tài)反饋系統(tǒng)的隔離采集和數(shù)字通信的抗電磁干擾設(shè)計(jì)。

2 輸入分析

2.1 仿真與工況實(shí)測(cè) 高壓雷電波發(fā)生裝置在放電時(shí)刻,其原理可以簡(jiǎn)化等效為圖所示。電容C通過球隙開關(guān)S對(duì)負(fù)載RL放電,為了避免產(chǎn)生電磁振蕩,必須用二極管D 進(jìn)行續(xù)流,從而得到通過負(fù)載的雷電波電壓電流。其電路拓?fù)淙鐖D1所示。

通過對(duì)圖1仿真得到二極管的電流波形得到負(fù)載RL或二極管D上的峰值電流為230k A,峰值電流的10%-10%寬度約為1 ms,波形如圖2。[2]

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,我們只計(jì)算二極管通態(tài)的發(fā)熱,可以使用典型的壓降計(jì)算模型來計(jì)算:

2.2 通流熱效應(yīng)分析 使用有限元仿真軟件,輸入二極管的壓降模型參數(shù),仿真得到芯片結(jié)溫度變化。這里使用的是ZPD 6100-55器件。溫升最高在1 ms末,達(dá)到87.61℃,集中在PN結(jié)上,最高溫度點(diǎn)的溫度變化如圖4,可見這種工況在0.1s末,芯片結(jié)溫基本回到了初始溫度。[3]

按照以往案例的經(jīng)驗(yàn),仿真瞬態(tài)結(jié)溫Tj在200℃以內(nèi)都可以認(rèn)為器件滿足瞬態(tài)工作要求,這是按照失效統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證得到的方法。如此,ΔTmax=

87.6 1℃,如環(huán)境溫度在0～40℃,則結(jié)溫處于正常范圍內(nèi)。

3 電氣與結(jié)構(gòu)

5.5 k V的二極管15只為一組,4組再串聯(lián),即總共60只器件串聯(lián),總反向不重復(fù)峰值電壓達(dá)到330k V。堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)較小體積的要求。

4 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了知道在二極管閥串的運(yùn)行過程中是否有部分二極管失效,我們要設(shè)計(jì)狀態(tài)測(cè)控系統(tǒng)。每只二極管都配置了一個(gè)RC吸收電路、一個(gè)二極管狀態(tài)檢測(cè)反饋電路。通過耦合效應(yīng),取能電路從高壓取得電能并驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)光,該路光信號(hào)通過光纖傳送到控制板,并由CPLD在對(duì)60路輸入信號(hào)采樣。

運(yùn)行中由于雷電電磁場(chǎng)的影響,存在嚴(yán)重的電弧電磁干擾,頻譜主要在20 M-500 MHz范圍內(nèi)分布[4],本例中采取干擾點(diǎn)復(fù)位和采樣避開的原理實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)抗干擾[8]。

圖2 控制器采樣與通信原理

控制核心芯片為CPLD,其采樣編制成數(shù)代表60個(gè)二極管的“好”(0)、“壞”(1),加上通訊校驗(yàn)位4bit,共64bit。

5 整體性能測(cè)驗(yàn)

5.1 二極管電壓實(shí)驗(yàn) 在實(shí)際180k V電壓下測(cè)試,二極管組件配合系統(tǒng)成功運(yùn)行滿負(fù)荷10次無故障。

5.2 測(cè)控功能實(shí)驗(yàn) 可以看到控制器發(fā)出的串口RNZ編碼發(fā)送了出來[6],上位機(jī)界面顯示二極管狀態(tài)反饋信號(hào),如圖3所示,拔掉2只二極管的狀態(tài)反饋光纖,可以看到相應(yīng)的二極管反饋位顯示為紅色,說明系統(tǒng)可以正確判斷二極管是否具備正常反饋信號(hào)。

圖3 拔掉2個(gè)二極管信號(hào)試驗(yàn)中上位機(jī)顯示

6 結(jié)論

二極管的高壓絕緣設(shè)計(jì)應(yīng)該留充分的裕量,本設(shè)計(jì)中創(chuàng)新的采用了單組封閉式設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)整體的絕緣設(shè)計(jì)。

二極管的電流計(jì)算可以通過二極管的RT模型計(jì)算出其發(fā)熱量以及某時(shí)刻的結(jié)溫升。

二極管的測(cè)控采用了數(shù)字電路,利用CPLD 對(duì)二極管狀態(tài)反饋信號(hào)采集并編制成串口RNZ數(shù)字信號(hào)傳送給上位機(jī)。